張巖，高菘，薛耀輝，張卓，王曉章，曹珊珊，徐海濤，折勝飛，謝今，李藝昭，劉路燾，郭海濤，侯超奇

（1 中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710119）

（2 中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)有限公司西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，西安 710119）

（3 江蘇中天科技股份有限公司，江蘇 南通 226000）

0 引言

隨著國(guó)際通信與工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，光纖光纜常處于高溫高濕高壓的惡劣工作環(huán)境中，被用于深海信號(hào)傳輸、城市通信網(wǎng)建設(shè)、石油化工冶煉、國(guó)防軍工等領(lǐng)域，其應(yīng)用環(huán)境對(duì)光纖強(qiáng)度提出了越來(lái)越高的要求［1-3］。然而，常規(guī)石英光纖的強(qiáng)度無(wú)法滿足苛刻環(huán)境的使用要求，阻礙了其市場(chǎng)應(yīng)用范圍的進(jìn)一步拓展［4-6］。理論上，利用熔融二氧化硅原子間的鍵長(zhǎng)及表面能可推算出標(biāo)準(zhǔn)單模光纖理論最大拉斷力為203 N，而商用單模光纖平均拉斷力為47.6 N，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論數(shù)值［7］。主要原因是光纖制備過(guò)程中，會(huì)不可避免地經(jīng)歷高溫熔融石英的冷熱變化使光纖內(nèi)部積累了內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)在光纖生產(chǎn)制備過(guò)程中的擠壓摩擦等外應(yīng)力，均會(huì)造成光纖表面的微裂紋，使光纖強(qiáng)度降低［8-10］。因此，抑制光纖表面微裂紋，有效提高石英光纖的強(qiáng)度成為科研人員研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。秦大甲通過(guò)合理地控制拉絲溫度，選擇合適的爐體加熱材料及進(jìn)行預(yù)熱烘烤除氣釋放光纖應(yīng)力，抑制微裂紋的產(chǎn)生［11］。高秀敏、龔麗研究了光纖涂料及涂層固化度對(duì)光纖強(qiáng)度的影響［12-13］。SEVERIN I 等認(rèn)為高質(zhì)量的光纖涂覆可有效提高光纖強(qiáng)度［14］。陳堅(jiān)盾等提出預(yù)制棒表面的光滑純凈無(wú)雜質(zhì)有利于光纖強(qiáng)度的提升［15］。張良認(rèn)為退火工藝對(duì)改善光纖的脆性有積極的作用［16］。相關(guān)研究分析了影響光纖強(qiáng)度的因素，但光纖強(qiáng)度提高非常有限。以光纖拉斷力作為衡量光纖強(qiáng)度的參考標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)不同工藝下石英光纖強(qiáng)度變化，系統(tǒng)性地研究光纖強(qiáng)度的影響因素與機(jī)制卻鮮有報(bào)道。

本文研究了拉絲速度、預(yù)制棒預(yù)處理工藝對(duì)光纖拉斷力的影響，設(shè)計(jì)了預(yù)制棒火焰拋光梯度降溫工藝與在線主動(dòng)控溫退火工藝，消除光纖內(nèi)應(yīng)力提高光纖強(qiáng)度。采用反射式顯微鏡、掃描電子顯微鏡觀測(cè)了不同工藝條件下，光纖預(yù)制棒及光纖表面微觀形貌，分析研究了單模石英光纖平均拉斷力的影響因素，通過(guò)工藝優(yōu)化，光纖平均拉斷力提高了86%。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品制備

光纖預(yù)制棒由江蘇中天科技股份有限公司提供，其直徑為35 mm，芯層數(shù)值孔徑為0.14，為無(wú)源單模石英預(yù)制棒。光纖拉絲塔結(jié)構(gòu)如圖1。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)加裝了在線主動(dòng)控溫退火爐，降低光纖出爐時(shí)表面溫度與室溫的高低溫環(huán)境差，消除光纖內(nèi)應(yīng)力，抑制光纖表面及內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生。新加裝的在線主動(dòng)控溫退火爐長(zhǎng)度為600 mm，爐體內(nèi)置了三段加熱爐絲，可實(shí)現(xiàn)對(duì)爐體內(nèi)部0℃～600 ℃的溫度調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)中，采用丙烯酸酯作為涂覆材料，經(jīng)過(guò)紫外光固化實(shí)現(xiàn)光纖在線拉制，光纖包層直徑為125±1 μm，涂覆層直徑為245±5 μm，涂覆層/包層同心度誤差≤10.0 μm。采用控制變量法，分別拉制了不同拉絲速度、預(yù)制棒預(yù)處理工藝及主動(dòng)控溫退火工藝條件下的光纖。

圖1 光纖拉絲塔結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of fiber drawing tower

1.2 測(cè)試表征儀器及光纖拉斷力測(cè)試

光纖預(yù)制棒表面形貌通過(guò)正置反射式顯微鏡（OLYMPUS，BX53M）表征，表面粗糙度由粗糙度測(cè)試儀（Mitutoyo SJ-210）測(cè)試，通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM，ZEISS-EVO-18）表征光纖微觀形貌。以光纖拉斷力作為衡量光纖強(qiáng)度的參考標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ITU-TG.650 Bell Core GR20 和國(guó)標(biāo)GB/T 15972.31-2008，光纖平均拉斷力采用萬(wàn)能拉力試驗(yàn)機(jī)（東日儀器，DR-505A）測(cè)試，拉力試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行速度50 mm/min，每組測(cè)試選取15 個(gè)樣品，每個(gè)樣品長(zhǎng)度為1 m。

2 結(jié)果與討論

2.1 影響光纖強(qiáng)度的因素分析

2.1.1 拉絲速度對(duì)光纖強(qiáng)度的影響

將未作任何處理的光纖預(yù)制棒拉制成光纖，留存不同拉絲速度下的光纖作為樣本，進(jìn)行拉斷試驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果表明隨著光纖拉絲速度的增加，光纖拉斷力逐漸由拉絲速度為4 m/min 時(shí)的48.05 N 降低至100 m/min的36.69 N。光纖拉斷力隨光纖速度增加而逐漸降低，如圖2。光纖的主要構(gòu)成材料為二氧化硅（SiO2），二氧化硅晶體的微觀結(jié)構(gòu)中會(huì)存在缺陷。拉絲過(guò)程中，爐內(nèi)溫度為2 050 ℃，預(yù)制棒在拉絲爐中高溫條件下熔融并拉制成光纖，光纖離開(kāi)拉絲爐后接觸到常溫空氣，其表面溫度冷卻較快，內(nèi)部溫度冷卻較慢，因此外層收縮較快而內(nèi)層則收縮較慢，這時(shí)光纖內(nèi)部和外部之間產(chǎn)生了溫度差，光纖橫截面上產(chǎn)生溫度梯度。溫度梯度的存在使得光纖內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力［15］，且隨著拉絲速度的加快，溫度梯度逐漸增加，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)力的增加。當(dāng)光纖應(yīng)力作用時(shí)，力會(huì)集中在二氧化硅晶體存在的缺陷處，導(dǎo)致光纖微裂紋形成。隨著拉絲速度逐漸加快，溫度差越大，微裂紋增多，光纖拉斷力也會(huì)逐步下降。

圖2 未處理的光纖平均拉斷力隨拉絲速度變化曲線Fig.2 Distribution of average breaking force of untreated fiber under different drawing speed

2.1.2 火焰拋光對(duì)光纖強(qiáng)度的影響

為了減少表面微裂痕，設(shè)計(jì)了A、B、C、D、E 五種不同的預(yù)制棒火焰拋光工藝，減少預(yù)制棒固有微裂痕。具體拋光參數(shù)如表1。通過(guò)設(shè)定拋光機(jī)床上氫氧焰的氣體流量及運(yùn)動(dòng)速度，調(diào)整火焰釋放的熱量。其中氣體流量越高，運(yùn)動(dòng)速度越慢，釋放熱量越多，拋光工藝由A 至E 火焰釋放熱量逐步增加。為評(píng)估預(yù)制棒的火焰拋光對(duì)光纖強(qiáng)度的影響，機(jī)械拋光后粗糙度較高的原始棒作為對(duì)照樣本，預(yù)制棒火焰拋光過(guò)后測(cè)試其表面粗糙度，并將不同工藝處理后的預(yù)制棒在相同工藝下拉制成纖，測(cè)試平均拉斷力。由表1可知，預(yù)制棒未做火焰拋光處理，拉絲速度100 m/min，光纖平均拉斷力為36.69 N。通過(guò)火焰拋光，光纖平均拉斷力顯著提高，其中工藝A 和B 的平均拉斷力均達(dá)到了45 N 以上。隨著火焰釋放熱量的增加，預(yù)制棒表面粗糙度逐步降低，光纖平均拉斷力出現(xiàn)降低的趨勢(shì)，當(dāng)預(yù)制棒的粗糙度為0.07 時(shí)，光纖的平均拉斷力降低至35.69 N。

表1 拉絲速度100m/min 時(shí)不同火焰拋光工藝光纖平均拉斷力Table 1 Average fiber breaking force of different flame polishing processes under 100m/min fiber drawing speed

由表1可知，隨著火焰釋放熱量增加，光纖預(yù)制棒表面粗糙度由原始預(yù)制棒的6.52 逐漸降低至0.07，這是由于火焰釋放熱量越多，預(yù)制棒表面熔融越充分，導(dǎo)致表面粗糙度的降低。光纖平均拉斷力隨火焰釋放熱量的增加也呈下降趨勢(shì)，分析其原因?yàn)榛鹧鎾伖夤に嘇 至E，火焰釋放熱量逐步增加，預(yù)制棒內(nèi)部積攢熱量也在增多，較高的熱量雖然將預(yù)制棒表面微裂紋融為一體，但是隨著火焰的離開(kāi)，預(yù)制棒表面溫度迅速降低，而內(nèi)部反而集聚了較多熱量且無(wú)法快速散去。預(yù)制棒內(nèi)外部巨大溫差會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力梯度分布［16］，造成預(yù)制棒表面及內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致光纖強(qiáng)度的降低。

圖3為火焰拋光前后預(yù)制棒表面形貌圖。如圖3（a），火焰拋光前預(yù)制棒表面存在大量線狀劃痕，該痕跡是由于機(jī)械摩擦所致。圖3（b）為預(yù)制棒經(jīng)過(guò)火焰拋光工藝A 之后的表面形貌，高溫火焰促進(jìn)了劃痕的再熔融，且預(yù)制棒表面未觀測(cè)到劃痕與裂紋，但仍有少量缺陷點(diǎn)存在?；鹧鎾伖饽苁诡A(yù)制棒表面平滑化，可有效清除光纖表面裂痕與雜質(zhì)，即使預(yù)制棒表面的不平整度在10 μm 以上，在1 900 ℃的高溫下拋光兩次后，可使不平整度減少到1 μm 以內(nèi)，由于預(yù)制棒表面裂痕深度一般為幾微米，所以火焰拋光完全能夠除去［17］。

圖3 火焰拋光前后預(yù)制棒微觀照片F(xiàn)ig.3 Microphotographs of the fiber preform

2.1.3 退火工藝對(duì)光纖強(qiáng)度的影響

2.1.1 節(jié)研究表明，高溫裸光纖直接進(jìn)入室溫可導(dǎo)致光纖強(qiáng)度的降低。為此，設(shè)計(jì)加裝了在線主動(dòng)控溫退火爐，使高溫裸光纖先經(jīng)過(guò)一段有一定溫度的退火爐緩沖區(qū)，光纖表面溫度逐漸下降，從而應(yīng)力逐漸釋放，減少微裂紋的產(chǎn)生進(jìn)而提升光纖強(qiáng)度。將未加裝退火爐的實(shí)驗(yàn)作為對(duì)照記為工藝A，將控溫退火爐溫度分別設(shè)定為未加熱、200 ℃、400 ℃、600 ℃，依次記為退火工藝B、C、D、E。在不同退火工藝下，將未作任何處理的光纖預(yù)制棒拉制成絲，并進(jìn)行拉斷試驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果如圖4（a），無(wú)論拉絲速度高低，光纖在拉制過(guò)程中增加退火工藝流程后，拉斷力得到了明顯的提升，即使退火爐主動(dòng)加熱功能并未開(kāi)啟，其拉斷力也表現(xiàn)出明顯的增強(qiáng)。這是因?yàn)橥嘶馉t和石墨爐相通，石墨爐內(nèi)的溫度傳遞到了退火爐，使退火爐內(nèi)溫度上升，退火爐內(nèi)盡管沒(méi)有加熱，但傳遞下來(lái)的熱量也不會(huì)讓光纖快速冷卻，因而光纖的強(qiáng)度得到了提升。同時(shí)，當(dāng)拉絲速度較低時(shí)，平均拉斷力隨著退火溫度的增高，出現(xiàn)先增高后降低的現(xiàn)象。這是因?yàn)?，?dāng)退火爐溫度過(guò)高時(shí)，光纖經(jīng)過(guò)退火爐后攜帶了過(guò)多的熱量，再一次增加了光纖離開(kāi)爐口時(shí)與外界環(huán)境的溫度梯度差，從而導(dǎo)致熱應(yīng)力的增大，使光纖強(qiáng)度降低。而拉絲速度較高時(shí)，光纖在退火爐中的時(shí)間較短，經(jīng)過(guò)退火爐后不會(huì)吸收過(guò)多的熱量，所以當(dāng)拉絲速度較高時(shí)，無(wú)論退火爐溫度設(shè)定為400℃或600℃，光纖拉斷力無(wú)明顯變化。

圖4 退火工藝對(duì)平均拉斷力的影響Fig.4 The influence of average fiber breaking force under different annealing processes

對(duì)比分析拉絲速度為4 m/min 與100 m/min 時(shí)的光纖平均拉斷力，隨著退火溫度的增加，平均拉斷力由未加退火爐的48.05 N 與36.69 N 逐漸增長(zhǎng)到最高61.30 N 與54.64 N，分別增長(zhǎng)了27.6%與48.9%，如圖4（b）。因微裂痕的生長(zhǎng)速率V與應(yīng)力強(qiáng)度因子K1的關(guān)系可描述為［18］

式中，a為裂痕深度；K1為應(yīng)力強(qiáng)度因子；A為比例常數(shù)；n為應(yīng)力腐蝕因子；e為所受應(yīng)力；Y為幾何因子。A和n取決于光纖制造工藝與所處環(huán)境介質(zhì)參數(shù)。控溫退火爐的設(shè)計(jì)，可有效降低光纖表面與室溫的溫度差，減少因驟冷造成的應(yīng)力梯度分布，從而抑制微裂痕的產(chǎn)生與擴(kuò)散。如前文所述，高速拉絲比低速拉絲更容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，且內(nèi)應(yīng)力更大，隨著拉絲速度的增快，可以釋放的內(nèi)應(yīng)力增多，所以導(dǎo)致了光纖平均拉斷力高速拉絲時(shí)增加量比低速多。

由圖5可知，在相同退火工藝下，隨著拉絲速度逐漸升高，無(wú)論是否加裝主動(dòng)控溫退火爐，光纖平均拉斷力逐漸降低。但是隨著退火爐的加裝，且退火溫度分別由未主動(dòng)加熱升高到主動(dòng)加熱200 ℃，再升高到400 ℃，光纖平均拉斷力逐漸提高，控溫退火爐的加裝有助于光纖拉斷力的提高。隨著拉絲速度提高，平均拉斷力依舊呈下降趨勢(shì)。因控溫退火爐長(zhǎng)度有限，生產(chǎn)速度越快，光纖在退火爐內(nèi)時(shí)間越短，較短的時(shí)間不足以平衡室溫與裸纖表面的溫差，導(dǎo)致光纖強(qiáng)度的下降。受限于拉絲塔的設(shè)計(jì)尺寸，實(shí)驗(yàn)中退火爐長(zhǎng)度已經(jīng)達(dá)到最大值，提高光纖平均拉斷力，需降低拉絲速度同時(shí)增加控溫退火爐的長(zhǎng)度。

圖5 不同退火條件下平均拉斷力與拉絲速度變化曲線Fig.5 Average breaking force vs.fiber drawing speed under different annealing processes

2.2 多因素綜合優(yōu)化和分析

2.2.1 平均拉斷力提升的綜合優(yōu)化

火焰拋光可提高光纖拉斷力，但是過(guò)量的火焰拋光卻會(huì)引起表面微裂紋的進(jìn)一步增長(zhǎng)。另一方面，優(yōu)化主動(dòng)控溫退火爐的溫度與拉絲速度，也會(huì)顯著影響光纖強(qiáng)度。采用之前最優(yōu)化火焰拋光參數(shù)（拋光工藝A：H2=70 L/min、火焰速度50 mm/min 兩次），將光纖預(yù)制棒拋光之后，保留火焰在預(yù)制棒上繼續(xù)燒蝕，將火焰速度繼續(xù)保持為50 mm/min，氫氣流量降低至40 L/min，待火焰行進(jìn)完一個(gè)行程后，保持相同的火焰速度，再將氫氣流量降低至10 L/min，火焰行進(jìn)完成后關(guān)閉火焰。這種梯度降溫處理可使預(yù)制棒表面溫度逐漸降低，避免了預(yù)制棒的快速冷卻，使預(yù)制棒內(nèi)熱應(yīng)力逐漸釋放，抑制預(yù)制棒微裂紋的生成。待預(yù)制棒完全冷卻后，在相同工藝條件下拉絲，控溫退火爐采用最優(yōu)化工藝參數(shù)（退火工藝D，退火溫度400 ℃），分別測(cè)試?yán)z速度為4 m/min 和100 m/min 光纖拉斷力。結(jié)果表明，通過(guò)火焰拋光后的梯度降溫處理和主動(dòng)控溫退火工藝的綜合優(yōu)化，拉絲速度為4 m/min 的光纖平均拉斷力由最初的48.05 N 增長(zhǎng)至68.28 N，100 m/min 的光纖平均拉斷力也由36.69 N 增長(zhǎng)至62.71 N，分別增長(zhǎng)了42%與71%，如圖6。在未來(lái)的研究中，將進(jìn)一步優(yōu)化預(yù)制棒火焰拋光梯度降溫處理技術(shù)，如更改火焰移動(dòng)速度、細(xì)化降溫梯度等手段，同時(shí)設(shè)計(jì)加裝更長(zhǎng)的退火爐，生產(chǎn)制造出平均拉斷力更高的光纖。

圖6 不同拉絲速度平均拉斷力的優(yōu)化提升Fig.6 Optimization of average breaking force under different fiber drawing speed

2.2.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

圖7為拉絲速度為100 m/min 時(shí)不同條件下光纖樣品表面顯微形貌圖。圖7（a）是未做火焰拋光與退火工藝處理的光纖，其表面形貌粗糙，有較多形狀不規(guī)整且隨機(jī)離散分布的凹坑與缺陷點(diǎn)，在光纖橫向端有較深微裂紋產(chǎn)生，同時(shí)還觀察到細(xì)微的劃痕。圖7（b）是采用火焰拋光后結(jié)合最優(yōu)化退火工藝?yán)贫傻墓饫w，其光纖表面缺陷點(diǎn)顯著減少。石英光纖的理論強(qiáng)度是由SiO2四面體結(jié)構(gòu)中Si=O 原子鍵的結(jié)合力決定的。但在實(shí)際的生產(chǎn)制造過(guò)程中，光纖表面難免會(huì)存在雜質(zhì)、微裂紋與劃痕對(duì)光纖強(qiáng)度產(chǎn)生影響。根據(jù)脆性材料的表面微裂縫生長(zhǎng)機(jī)理理論，光纖表面存在一個(gè)微裂縫，當(dāng)光纖受到拉力測(cè)試機(jī)施加沿光纖縱向的力時(shí)，光纖橫向端分布的微裂紋隨之受到垂直方向的應(yīng)力，且隨著拉力測(cè)試機(jī)的運(yùn)行，應(yīng)力逐漸增大。根據(jù)Griffith 光纖斷裂理論，光纖斷裂強(qiáng)度δ與微裂痕長(zhǎng)度C的平方根成反比，可表示為［19］

圖7 不同條件下光纖表面形貌顯微圖Fig.7 SEM image of the fiber under different conditions

式中，C為微裂痕長(zhǎng)度，E為楊氏模量，γ為材料相關(guān)的常數(shù)。隨著拉應(yīng)力的增加，當(dāng)裂紋尖端應(yīng)力超過(guò)原子鍵的結(jié)合力時(shí)，鍵合斷裂，裂紋發(fā)生擴(kuò)展，光纖隨之?dāng)嗔选Ｕ?.1 節(jié)所述，通過(guò)預(yù)制棒預(yù)處理和在線控溫退火工藝可有效減少光纖表面缺陷與微裂紋，增加光纖強(qiáng)度。

2.2.3 Weibull 曲線分析

實(shí)驗(yàn)中，光纖平均拉斷力是由15 個(gè)樣品拉斷測(cè)試取平均值所得，用來(lái)判斷不同工藝下光纖拉斷力的變化。在同一工藝條件下，Weibull 曲線分析可作為光纖強(qiáng)度的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)測(cè)某一應(yīng)力下光纖的斷裂概率，分析光纖樣品一致性分布［20-21］。光纖在拉應(yīng)力F作用下對(duì)給定標(biāo)距長(zhǎng)度和直徑的試樣，其斷裂累積概率Pi可用簡(jiǎn)化Weibull 分布函數(shù)來(lái)描述［22-23］，即

為計(jì)算方便，對(duì)式（4）取對(duì)數(shù)得

實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)為15，將樣品斷裂應(yīng)力Fi由小到大依次排列F1

式中，Weibull 模數(shù)m可用來(lái)評(píng)判樣品一致性。由國(guó)標(biāo)GB/T 15972.3-1998 可知md=，其中F0.85與F0.15分別為累積失效概率為0.85 與0.15 時(shí)的斷裂應(yīng)力，由萬(wàn)能拉力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試得出。將累積失效概率P（Fi）=0.5 時(shí)所應(yīng)的應(yīng)力稱為光纖的中值強(qiáng)度，通常作為判斷不同批次光纖強(qiáng)度優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)樣品數(shù)據(jù)（Pi，F(xiàn)i），分別計(jì)算和lnFi以此繪制對(duì)應(yīng)的Weibull 分布曲線圖。

分別選取無(wú)處理、預(yù)制棒火焰拋光處理、控溫退火處理、綜合優(yōu)化處理四種不同實(shí)驗(yàn)工藝條件下，拉絲速度為100 m/min 時(shí)的光纖作為實(shí)驗(yàn)樣本，分別進(jìn)行拉斷實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)其斷裂應(yīng)力Fi，繪制相應(yīng)的Weibull 分布曲線圖，并計(jì)算Weibull 模數(shù)md及中值強(qiáng)度，如圖8。

圖8（a）為四種不同實(shí)驗(yàn)工藝條件下Weibull 分布曲線圖。隨著對(duì)預(yù)制棒的火焰拋光與拉絲過(guò)程中的主動(dòng)控溫退火處理，光纖拉斷力也隨之增大，曲線因此而依次向右方移動(dòng)。相應(yīng)的中值強(qiáng)度也由最初無(wú)處理時(shí)的36.35 N，逐漸增長(zhǎng)到經(jīng)過(guò)逐次優(yōu)化后的60.62 N。Weibull 模數(shù)md由預(yù)制棒無(wú)處理時(shí)的15.36 增長(zhǎng)到了火焰拋光后的35.11，在經(jīng)過(guò)退火與綜合優(yōu)化后，又逐漸降低至12.93 與9.83，如圖8（b）。在四種不同處理工藝條件下，光纖強(qiáng)度逐漸提高。另一方面，光纖在火焰拋光后Weibull 分布曲線最為陡峭，其樣品一致性最好。無(wú)處理的光纖樣本次之，經(jīng)過(guò)退火和綜合優(yōu)化后的光纖樣本一致性最差，拉斷力分布相對(duì)離散，相對(duì)應(yīng)的Weibull 分布曲線也相對(duì)平緩。

圖8 不同優(yōu)化條件下的Weibull 曲線分布Fig.8 Distribution of Weibull under different processes

分析其原因，相比于無(wú)任何處理的光纖，預(yù)制棒經(jīng)過(guò)火焰拋光后可修復(fù)表面的雜質(zhì)及微裂紋，使光纖脆弱處的拉斷力得以提高，進(jìn)而使拉斷力分布相對(duì)集中，Weibull 模數(shù)md最大。隨著工藝的優(yōu)化，光纖平均拉斷力進(jìn)一步提升，但是光纖表面及內(nèi)部不可避免的存在固有缺陷導(dǎo)致強(qiáng)度提升量較無(wú)缺陷處低，

雖然光纖平均拉斷力在逐漸增大，但因缺陷點(diǎn)強(qiáng)度提升量較少的緣故，光纖斷裂分布逐漸離散，Weibull分布曲線趨于平緩，Weibull 模數(shù)md降低。

通過(guò)對(duì)Weibull 分布曲線的分析可得，火焰拋光與控溫退火爐的加裝對(duì)光纖強(qiáng)度的提升有顯著影響。另一方面，隨著光纖拉斷力的增高，光纖樣品一致性變差，光纖缺陷點(diǎn)對(duì)強(qiáng)度的影響逐漸增加。光纖缺陷點(diǎn)的控制直接決定了光纖平均拉斷力的進(jìn)一步提升，對(duì)光纖樣品一致性造成影響，從而影響高強(qiáng)度光纖的應(yīng)用范圍與使用領(lǐng)域。

3 結(jié)論

本文研究了不同預(yù)制棒預(yù)處理工藝、拉絲速度及在線主動(dòng)控溫退火工藝對(duì)單模石英光纖平均拉斷力的影響。反射式顯微鏡與掃描電鏡觀測(cè)分析了不同工藝條件下預(yù)制棒及光纖表面的微觀特性，采用預(yù)制棒火焰拋光梯度降溫處理與拉絲過(guò)程中在線主動(dòng)控溫退火的工藝優(yōu)化，可有效減少其表面雜質(zhì)裂痕與微裂痕的產(chǎn)生，提高光纖拉斷力。通過(guò)對(duì)不同工藝條件下光纖Weibull 函數(shù)斷裂曲線分析，隨著工藝條件的優(yōu)化，光纖拉斷力增強(qiáng)但樣品一致性變差，光纖缺陷點(diǎn)影響了光纖拉斷力的進(jìn)一步增長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)預(yù)制棒進(jìn)行火焰拋光預(yù)處理與拉絲過(guò)程中退火工藝的優(yōu)化，同時(shí)降低光纖拉絲速度，使光纖平均拉斷力由無(wú)任何處理的36.69 N 增長(zhǎng)到68.28 N。為高強(qiáng)度光纖在石油探測(cè)開(kāi)采、海底光纜鋪設(shè)、氣候環(huán)境監(jiān)測(cè)等環(huán)境惡劣領(lǐng)域開(kāi)拓了更廣闊的應(yīng)用空間。